Неравномерное движение в открытых руслах рек
Содержание
Введение
Расчетная работа 1. Построение
кривой свободной поверхности
Расчетная работа 2. Построение
депрессионной кривой движения грунтовых вод
Расчетная работа 3. Определение
параметров водопропускного сооружения
Введение
Территория Восточной Сибири и Дальнего Востока
покрыта густой речной сетью. Только к бассейну реки Енисей относятся более 17
тысяч различных рек. Северо-восточные районы страны недостаточно освоены в
транспортном отношении. В этих районах слабо развита сеть железных и автомобильных
дорог. Поэтому водный транспорт занимает ведущее место при перевозке различных
промышленных грузов и пассажиров. Для многих удаленных районов Восточной
Сибири, Севера и Дальнего Востока водный транспорт является единственным
способом сообщения и транспортировки грузов.
Исследования показали, что более половины рек,
расположенных в районах Восточной Сибири, Севера и Дальнего Востока, можно
отнести к категории горных и полугорных. Развитие судоходства и лесосплава на
этих реках сдерживается из-за наличия многочисленных препятствий в виде
каменистых образований (пороги, шивера, перекаты).
Так, основным видом путевых работ при
регулировании каменистых участков рек являются дноуглубление (устройство
прорезей) и скалоуборочные работы (расчистка русла от крупных камней и выступов
горных пород). Дноуглубительные и скалоуборочные работы следует рассматривать
как самостоятельный вид путевых работ на каменистых участках реки для
последующего выправления их с помощью руслорегулирующих сооружений (дамбы,
запруды, полузапруды и т.д.).
Поэтому для проектирования и эксплуатации
лесозадерживающих и гидротехнических сооружений, проведения путевых работ на
реках необходимо владеть как теоретическими сведениями по гидравлике открытых
русел, так и уметь выполнять инженерные расчеты с целью улучшения условий
судоходства и водного транспорта леса.
В настоящее время в инженерной практике
приходится решать задачи, связанные с неравномерным движением в открытых
руслах, на начальной стадии проектирования гидротехнических сооружений. Поэтому
находит широкое применение использование теории неравномерного движения для
использования в практических расчетах.
Расчетная работа 1. Построение кривой свободной
поверхности потока
грунтовая
вода водоспускное сооружение
Постановка задачи
Задается характеристика русла водопотока.
Требуется определить нормальные и критические глубины потока, критический уклон
и построить кривую свободных поверхности потока
Исходные данные:
Характеристика русла водотока:
форма поперечного сечения - симметричная
трапеция (рисунок 1.1);
дно русла песчано-гравийное;
ширина русла по низу, 
;
Схема поперечного сечения потока
приведена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1- Схема поперечного сечения потока
коэффициенты заложения откосов, 
и 
;
уклон дня участка реки i выбирается
по таблице 1.1- Варианты заданий, для четырех участков;
коэффициент шероховатости принимаем 
=0,03.;
расход воды в русле, 
.
Таблица 1. Вариант заданий 8.
|
1( )2( )3 4
|
|
|
|
|
0,0035
|
0,0015
|
0,095
|
0,0
|
Методика расчета
1. Принимаем коэффициент
шероховатости русла =0,03.
. Нормальные и критические глубины
находим графическим способом. Для этого задаемся рядом (не менее 5)
произвольных значений глубины 
и по формулам определяем следующие
значения:
, м2 - площадь живого
сечения;
(1.1)
, м - смоченный периметр;
(1.2)
, м - гидравлический радиус;
(1.3)
С , м0,5/с- коэффициент
Шези;
, (1.4)
где 
при R > 1м; 
при R < 1м.
К , м3/с - расходная
характеристика;
(1.5)
С учетом данных получаем расчетные
формулы:
Данные расчетов заносим в таблицу 2.
Таблица 2.
|
h,м
|
, м2, мR, мС
,м0,5/сK, м3/с
|
|
|
|
|
|
0,25
|
2,59375
|
10,90139
|
0,237928
|
22,95512
|
29,04228
|
|
0,5
|
5,375
|
11,80278
|
0,455401
|
27,1725
|
98,56103
|
|
1
|
11,5
|
13,60555
|
0,845243
|
337,3629
|
|
1,5
|
18,375
|
15,40833
|
1,192537
|
34,68148
|
695,9226
|
|
2
|
26
|
17,2111
|
1,510653
|
36,57806
|
1168,897
|
|
2,5
|
34,375
|
19,01388
|
1,80789
|
38,08775
|
1760,411
|
|
3
|
43,5
|
20,81665
|
2,089673
|
39,35045
|
2474,447
|
Рисунок 1.2 - Зависимость 
По заданному расходу и заданным
уклонам по формуле
, (1.6)
Вычисляем расходные характеристики
для каждого участка при . По
расходным характеристикам определяем соответствующие им нормальные глубины 
по графику.
Таблица 3.
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
 0,0035
|
0,0015
|
0,095
|
0,0
|
|
|
 1352,252065,6259,55-
|
|
|
|
|
|
,м2,22,70,8
|
|
|
|
|
3. Критическую глубину 
определяем
из формулы:
, (1.7)
где 
и 
- соответственно ширина по верху и
площадь живого сечения потока при критической глубине, м.
Ширина потока по верху 
определяется
по зависимости:
. (1.8)
Принимая 
-
коэффициент Кориолиса, вычисляем:
, 
.
Подбираем такую глубину, при которой
величина
Достаточно достичь разницы значений
этих величин в пределах 
5%.
Удовлетворяющее этому условию значение величины и будет искомая критическая глубина
. Для этого,
задаваясь рядом значений , строим
кривую 
.
Таблица 4.
|
, м ,   
|
|
|
|
|
|
0,5
|
155,28
|
11,5
|
13,5
|
653
|
|
1,0
|
1520,87
|
13
|
117
|
|
|
1,5
|
6204,15
|
14,5
|
427,9
|
|
|
2,5
|
17576
|
16
|
|
Рисунок 1.3 - Зависимость
По графику находим для 
соответствует
м.
. Критический уклон находим по
формуле:
(1.9)
м,
м,
5. Для построения кривой свободной
поверхности потока вычертим схему продольного профиля дна и нанесем линии
нормальных 
и
критических 
глубин.
Под каждым участком пишем
соотношения между нормальной и критической глубиной, а также между уклонами дна
и критическими уклонами. Длину участков будем считать достаточно большой протяженности
и условимся, что на части их устанавливается равномерное движение. В начале 1
участка сечение 0 принимаем равномерное движение, т.е. 
.
Построение продольного профиля
свободной поверхности начинаем с сечения, в котором заведомо известна глубина
потока. У нас это - начало 1 участка () и II сечения 
.
Начнем построение схемы свободной
поверхности потока со II участка, где 
. В конце
участка между I и II створами
глубины убывают от 
до -
устанавливается кривая спада.
В конце участка перед I створом
глубины увеличиваются от 
до , т.е.
образуется кривая подпора.
В начале участка между II и III сечениями в
связи с резким увеличением уклона дна 
>>
глубины
убывают от во II створе до 
в сечении II - III , т.е.
устанавливается кривая типа 
.
В створе III из-за
уменьшения уклона дна (
< ) глубины
возрастают от 
до 
, образуют
кривую (прямую) подпора, т.к. в конце кривой (прямой) подпора при 
, а уклон
, поток
должен перейти в спокойное состояние, увеличение глубины сверх критического
значения должно произойти в виде прямой подпора 
. Глубина в IV створе
определяется длиной кривой спада 
, т.е. длиной участка. Эта глубина
будет конечной глубиной прямой подпора и начальной глубиной кривой спада .
Рисунок 1.2 - Схема кривой свободной поверхности
Расчетная работа №2. Построение депрессионной
кривой движения грунтовых вод
Постановка задачи
На работу различных гидротехнических,
дорожно-транспортных и других промышленных сооружений существенное влияние
оказывают грунтовые воды. Движение грунтовых вод является частным случаем
фильтрации жидкости.
Движение грунтовых вод может быть напорным и
безнапорным. При последнем поток грунтовых вод имеет свободную поверхность,
называемую депрессионной.
Скорость фильтрации 
линейно
зависит от гидравлического уклона 
.
Коэффициент фильтрации 
имеет
размерность скорости и численно равен скорости фильтрации при 
.
Одним из наиболее распространенных
случаев практики дорожно-транспортного и гидротехнического строительства
является необходимость расчета фильтрации воды через тело однородной земляной
насыпи, в поперечном сечении имеющую трапецеидальную форму. В виде таких
насыпей выполняются насыпи дорог, береговые опоры мосты, плотины, перемычки
котлованов, запруды, дамбы и т.д.
Неизвестными величинами являются
высоты: 
и 
, расстояние
, и 
- удельный
расход фильтрации. Необходимо определить эти величины и построить кривую
депрессии.
По результатам расчетов делается
вывод о надежности сооружения, необходимости применения специальных
мероприятий, особенно в случае, когда кривая депрессии выклинивается на низовой
откос выше бытового уровня.
Дано:
Таблица 1.
|
вариант
|
    
|
|
|
|
|
|
2
грунт- супесь
|
2,9
|
1,9
|
10
|
0,4
|
1,5
|
Методика расчета
1. Задаемся рядом значений 
(не менее
пяти значений ) и
определяем величину отношения 
по зависимости:
, (2.1)
где - коэффициент фильтрации грунта.
Результаты расчетов вносим в таблицу
2
Таблица 2
|
   
|
|
|
|
|
|
0,42
|
21
|
1,322219
|
0,013333
|
0,054
|
|
0,44
|
11
|
1,041393
|
0,026667
|
0,091
|
|
0,46
|
7,666667
|
0,884607
|
0,04
|
0,121
|
|
0,48
|
6
|
0,778151
|
0,053333
|
0,149
|
|
0,5
|
5
|
0,69897
|
0,066667
|
0,174
 (2.2)
Результаты расчетов заносим в
таблицу 3.
Таблица 3
|
|
|
|
0,42
|
13,72
|
|
0,44
|
13,69
|
|
0,46
|
13,66
|
|
0,48
|
13,63
|
|
0,5
|
13,6
|
Находим значение по
формуле:
 (2.3)
cоответствующее
раннее принятым .
Результаты расчетов заносим в
таблицу4.
Таблица 5
|
|
|
|
|
|
0,42
|
13,72
|
0,054
|
0,96
|
|
0,44
|
13,69
|
0,091
|
1,2
|
|
0,46
|
13,66
|
0,121
|
1,36
|
|
0,48
|
13,63
|
0,149
|
1,5
|
|
0,5
|
13,6
|
0,174
|
1,61
|
3. Определяем отношения по
вычисленным по
зависимости
 (2.4)
Результаты расчетов заносим в
таблицу 5.
Таблица 5
|
|
|
|
|
0,42
|
0,96
|
0,252
|
|
0,44
|
1,2
|
0,249
|
|
0,46
|
1,36
|
0,227
|
|
0,48
|
1,5
|
0,193
|
|
0,5
|
1,61
|
0,153
|
4. По вычисленным данным в п.1 и
принятым значениям строим
график зависимости  - кривая 1
(рисунок 2). На этих же координатах по данным п.3 , строим вторую кривую
зависимости 
Таблица 6 - Сводная таблица
|
 
|
|
|
|
|
|
0,42
|
13,57
|
0,054
|
0,96
|
0,252
|
|
0,44
|
13,54
|
1,2
|
0,249
|
|
0,46
|
13,51
|
0,121
|
1,36
|
0,227
|
|
0,48
|
13,48
|
0,149
|
1,5
|
0,193
|
|
0,5
|
13,45
|
0,174
|
1,61
|
0,153
|
Рисунок
1 - Зависимости и
5. По точке пересечения кривых
1 и 2 (рис.2) находим искомые и
 , 
6. Определяем удельный расход
фильтрации потока  м/с по
зависимости:
 (2.5)
а также значения по формуле
(2) и по
формуле (3) .
для грунта - суглинок  ,  ,
принимаем 
7. Вычисляем координаты кривой депрессии в
пределах средней части насыпи по формуле:
 (2.6)
Принимая  от  до  и из п.7
вычисляем  , получаем
ряд значений
 (2.7)
По результатам расчетов строим депрессионную
кривую.
Рисунок 2 - Схема фильтрации
Расчет фильтрации воды (плоской
задачи) через тело земляной насыпи, расположенной на горизонтальном водоупоре.
Выполняется по методу Н.Н. Павловского. Насыпь делится на три фрагмента двумя
вертикальными осями: ось  , проходящая
через верхнюю точку откоса, ось 2, проходящая через точку А - выхода кривой
депрессии на низовом откосе. Таким образом: I - верховой
клин; II - средняя
часть; III - низовой клин. Кривая депрессии от глубины Н верхнего бьефа
снижается до значения на оси , по
нелинейному закону изменяется (уменьшается) в пределах среднего участка и на
расстоянии выходит на
низовой откос.
Результаты расчетов заносим в таблицу 7.
Таблица 7.
|
  
|
|
|
|
0
|
2,4025
|
1,55
|
|
2
|
1,6721
|
1,293097
|
|
4
|
1,0641
|
1,031552
|
|
6
|
0,4561
|
0,675352
|
|
7
|
0,1521
|
0,39
|
|
7,5
|
0,0001
|
0,01
|
|
12
|
-1,3679
|
|
|
13,62
|
-1,86038
|
|
Вывод. Сооружение достаточно надежное.
Необходимости применения специальных мероприятий нет.
Расчетная работа 3. Определение параметров водопропускного
сооружения
Постановка задачи
Сток воды водотоков в местах пересечения с
пониженными участками дорог должен быть обеспечен специальными водопропускными
сооружениями. Пропускные сооружения могут быть выполнены в идее малых мостов,
безнапорных, полунапорных или напорных дорожных водопропускных труб.
На рисунке 3.1 показаны схемы поперечного
сечения малого моста (а) и полунапорной трубы (б). Требуется рассчитать
параметры отверстия малого моста с прямоугольным сечением.
1. Исходные данные.
 - расход водотока,
 м - бытовая глубина,
грунт дна потока - галечник.
2. Методика расчета.
1. С целью укрепления отверстия
малого моста применяем укрепление подмостового русла одиночным мощением щебнем
толщиною 20см. Для такого типа укрепления допускаемая неразмывающая скорость  < 3м/с.
. Определяем критическую
глубину потока м в
подмостовом сечении по формуле:
 (3.1)
 м,
 м/с2
3. Определяем схему протекания
потока через отверстие малого моста, для чего используем критерий:  ,  .
В данном случае  >  ,
следовательно, сооружение работает как подтопленный водослив.
4. Определяем ширину В отверстия малого моста по
формуле:
 , (3.2)
где  - коэффициент сжатия.
 м.
5. Для обеспечения допустимой скорости под
мостом, а также с целью достижения ближайшей большей стандартной ширины
отверстия окончательно уточняем значение ширины отверстия В типовых конструкций
моста.
В соответствии с ГОСТом принимаем В = 12м.
6. Уточняем значение скорости  под мостом
по формуле:
 , (3.3)
 м/с
. Определяем значение
критической глубины для
принятого отверстия моста по формуле:
 (3.4)
 м.
9. Находим значение гидравлических параметров:
Площадь живого сечения - , м2
.
 (3.5)
 м2 .
Смоченный периметр - , м.
 (3.6)
 м
Гидравлический радиус - ,м.
 (3.7)
 м
Коэффициент Шези - С , м0,5/с.
 , (3.8)
 - коэффициент шероховатости.
. Определяем уклон дна  под мостом
по формуле:
 (3.9)
. Определяем глубину  воды перед
мостом по формуле
 , (3.10)
где  - скоростной коэффициент
 м.
Похожие работы на - Неравномерное движение в открытых руслах рек
|